Ректификационная колонна

     Базой проектирования служит расчетные данные задания на курсовой проект. 

1. Основные  теоретические положения процесса бинарного разделения смеси этилацетат-толуол, с помощью колпачковой ректификационной колонны

1. Теоретические основы процесса ректификации

     Ректификация  – это процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а также жидких смесей на практически  чистые компоненты или их смеси, обогащенные  легколетучими или тяжелолетучими компонентами; процесс осуществляется в результате контакта неравновесных  потоков пара и жидкости.

     Характерной особенностью процесса ректификации являются следующие условия образования  неравновесных потоков пара и  жидкости, вступающих в контакт: при  разделении паровых смесей неравновесный  поток жидкости (жидкостное орошение).

     Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник, конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

     Процесс ректификации может протекать при  атмосферном давлении, а также  при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие  жидкие смеси. Повышенные давления применяют  для разделения смесей, находящихся  в газообразном состоянии при  более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят  от того, насколько развита поверхность  фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (жидкостное орошение) образуется путем полной или частичной конденсации уходящего после контакта потока пара, в то время как при разделении жидких смесей неравновесный поток образуется путем частичного испарения уходящей после контакта жидкости [1].

     В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые  колонны и центробежные пленочные  ректификаторы. Они различаются  в основном конструкцией внутреннего  устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых  или ситчатых) либо при поверхностном  контакте пара и жидкости на насадке  или поверхности жидкости, стекающей  тонкой пленкой.

     Тарельчатые колпачковые колонны (рис. а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Конструктивная схема устройства колпачка и обозначения основных размеров приведены на рис. а. 

 
Рис.1. Конструкции ректификационных колонн

      Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков  и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены  колпачки. Колпачки имеют отверстия  или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его  с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и  теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа  пара. Высота этого слоя зависит  от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др.

     Колпачковая тарелка представляет собой металлический  диск, в котором имеется множество  отверстий для прохода паров. По периметру отверстий закреплены бортики определенной высоты, называемые стаканами, благодаря которым на тарелке поддерживается определенный слой жидкости. Сверху стаканы накрываются колпачками. Между верхним срезом стакана и колпачком имеется зазор для прохода паров, поступающих с нижележащей тарелки. При работе колпачки погружены в слой жидкости, и вследствие этого образуется гидравлический затвор, через который барботируют пары [23].

      Уровень жидкости на тарелках поддерживается сливными перегородками (сливными карманами), нижняя часть которых доходит до следующей тарелки. Избыток жидкости по сливным карманам спускается на нижележащую тарелку. Положение колпачков можно регулировать, изменяя размер зазора между колпачком и верхним срезом стакана. Очень важно, чтобы тарелки размещались в колонне строго горизонтально и чтобы все колпачки были одинаково погружены в жидкость на тарелке. Если эти требования не выполнены, то в какой-либо части тарелки толщина слоя жидкости будет меньше. Через эту часть тарелки начнет проходить большее количество жидкости, и многие колпачки на остальной части тарелки перестанут работать.

Наиболее  распространены колпачковые тарелки  желобчатого типа, тарелки с S-образными  элементами, с круглыми колпачками и тарелки клапанного типа.

      Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и  другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

     Желобчатые  тарелки имеют простую конструкцию  и весьма легко монтируются (рис. 3). Тарелка представляет собой прямоугольник или квадрат, вписанный в поперечное сечение колонны. Один из сегментов, отделяемых этим прямоугольником, служит сливным устройством данной тарелки, другой — сливным устройством вышележащей. Два сегмента тарелки — глухие.

Тарелка состоит из нескольких желобов, прикрепленных  к опорным уголкам. Над желобами располагаются колпачки, монтируемые на нужной высоте. Жидкость движется по тарелке вдоль колпачков. Основной недостаток желобчатых тарелок заключается в малой площади барботажа (до 30% от площади тарелки), что способствует увеличению скорости паров и уносу флегмы.[23]

      В отличие от желобчатых тарелок  в тарелках с S-образными элементами (рис. 20) жидкость, направляясь к сливному устройству, движется поперек колпачков, а сами колпачки представляют одно целое с желобом. Каждый S-образный элемент состоит из колпачковой и желобчатой части. При сборке их располагают таким образом, чтобы колпачковая часть одного элемента перекрывала желобчатую часть другого, образуя гидравлический затвор.

      Тарелки из S-образных элементов предназначены  для колонн, работающих при атмосферном или невысоком давлении, для них характерна устойчивая равномерная работа при изменении нагрузок. Производительность тарелок на 20%выше, чем желобчатых [23].

   Клапанные тарелки (рис. 5) показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10—15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним (рис. б) или нижним (рис. в) ограничителем подъема.[23]

  Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя  выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения  тарелки составляет 12—20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

  Чешуйчатые  тарелки подают пар в направлении  потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем  при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи  бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном  порядке. Простота конструкции, эффективность  и большая производительность —  преимущества этих тарелок.

  Пластинчатые  тарелки собраны из отдельных  пластин, расположенных под углом 4—9° к горизонтам. В зазорах  между пластинами проходит пар со скоростью 20 — 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие  брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым  сопротивлением и простотой конструкции.

  К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские  или волнистые без сливных  устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15—30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к. п. д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции [23].

  Прямоточные тарелки обеспечивают длительное контактирование  пленки жидкости с паром, движущимся со скоростью 14— 45 м/с. Площадь живого сечения тарелки достигает 30%.

      Ситчатые колонны (см. рис.  б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление

                                   и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм [15].

     Насадочные  колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

     Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями  молекулярной диффузии, определяющимися  физическими свойствами фаз, но и  гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три  гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,—  при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет  свободный объем насадки, не занятый  жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки.

     Дальнейшее  развитие турбулентного движения может  привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной  поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри  проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В  случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а  газ — дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.

     Исследования  показали, что переход от турбулентного  режима к режиму эмульгирования (точка  инверсии или точка начала эмульгирования) соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.

     Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром.